CN104878379A - 一种金属自清洁、耐磨损表面处理液及制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属自清洁、耐磨损表面处理液及制备方法，以及基于此处理液的金属自清洁、耐磨损表面的构筑方法。本发明的金属自清洁、耐磨损表面处理液由无水乙醇、低表面能物质、胶粘剂、纳米氧化铝粉末和微米氧化铈粉末按一定比例配制而成；将该处理液均匀喷涂到清洁的金属工件表面，然后烘干处理使处理液固化，即可得到自清洁、耐磨损的金属表面。本发明方法不仅适用于镁、铝、锌、铜、镍、钛、锆及其合金和钢铁等各种金属材料，还可用于陶瓷、织物、纸张、玻璃等多种材料的表面处理。本发明方法具有工艺简单、操作方便、绿色环保、易于大规模工业化处理等特点。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种金属自清洁、耐磨损表面处理液及制备方法，以及基于此处理液的金属自清洁、耐磨损表面的构筑方法。
背景技术
金属材料广泛应用于国民经济的各个领域。但除铂、金等贵金属材料外，大多数金属材料化学性质活泼，在应用时极易发生刮擦、磨损及腐蚀。金属表面的耐磨损、自清洁功能对于有效抑制金属的刮擦、磨损及腐蚀，提高其服役质量、延长其使用寿命具有重要意义。对于金属自清洁表面的构筑，目前已经有一些专利，如CN 101440510A、CN 101935859A、CN 103952732A，等等。这类表面不仅可以有效防止雨水及尘土的大量沉积对金属造成的腐蚀破坏，还由于其超疏水性（即与水的接触角大于150°）因此可以降低金属材料与水、溶液等介质直接接触的机会，对于改善金属材料的防护性能具有较大促进作用。但目前金属超疏水自清洁表面的构筑方法比较复杂、通常需要多个步骤，很多时候还需要专用仪器设备如电源、电化学工作站等，并且由于需要通电因此还会对工件形状、尺寸等有较为严格的限制；特别是，目前的金属超疏水自清洁表面由于不耐磨损，在外力刮擦、磨损情况下，疏水性能下降严重，极易失去其自清洁功能。由此可见，发展简便的方法实现金属自清洁、耐磨损表面的构筑对于金属的应用具有重要作用。
发明内容
针对现有技术存在的困难和问题，本发明的目的是提供一种金属自清洁、耐磨损表面处理液及制备方法，以及基于此处理液的构筑金属自清洁、耐磨损表面的构筑方法。
本发明的目的是这样实现的：一种金属自清洁、耐磨损表面处理液，其特征在于，由无水乙醇、低表面能物质、胶粘剂、氧化铝粉末和氧化铈粉末按如下比例配制而成；
所述无水乙醇为溶剂，以1L计；
所述低表面能物质含量为5~10 g/L；
所述胶粘剂含量为8~12 g/L；
所述氧化铝粒径约为30纳米，含量为6~14 g/L；
所述氧化铈粒径约为2微米，含量为2~10 g/L。
进一步，所述低表面能物质为十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷或十三氟辛基三甲氧基硅烷；所述胶粘剂为聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯。
本发明还提供所述金属自清洁、耐磨损表面处理液的制备方法，按上述配方，其制备步骤包括：
将所述低表面能物质及胶粘剂加入无水乙醇中，超声搅拌0.5~1小时，然后添加氧化铝和氧化铈粉末，继续超声搅拌1~2小时，即得处理液。
另外，本发明还提供一种金属自清洁、耐磨损表面处理液的应用，即金属自清洁、耐磨损表面的构筑方法，包括以下步骤：
①将上述方法配制所得处理液均匀喷涂到清洁的金属工件表面；
②将金属工件于50~80℃下烘干1~2小时，即得金属自清洁、耐磨损表面；
所述喷涂处理中处理液体积与金属工件处理部分面积的比例为1L：50m2。
所述金属为镁、铝、锌、铜、镍、钛、锆及其合金或钢铁材料。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明处理液采用纳米氧化铝和微米氧化铈既可在金属表面形成特定的微/纳结构为后续实现表面的超疏水、自清洁奠定基础，且又可增强表面的耐磨性；作为胶粘剂材料的聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯不仅可增强处理液对金属的粘附能力，还具有低表面能及抗磨的特点；作为低表面能物质的十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷或十三氟辛基三甲氧基硅烷对金属表面具有疏水化作用可以赋予表面自清洁功能。基于上述方面可以成功构筑自清洁、耐磨损的金属表面。
2、本发明所述金属自清洁、耐磨损表面处理液的制备方法操作方便，便于实施和控制，并且绿色环保。
3、本发明提供所述金属自清洁、耐磨损表面处理液的应用，即金属自清洁、耐磨损表面的构筑方法，所构筑的金属表面兼具自清洁和耐磨损功能，克服了目前金属超疏水自清洁表面不耐磨损、极易失去自清洁功能的缺陷。本发明的金属自清洁、耐磨损表面的构筑方法只采用简单的喷涂处理，克服了目前金属超疏水自清洁表面构筑方法复杂、通常需要多个步骤、很多时候还需要专用仪器设备的限制；本发明方法具有工艺简单、操作方便、绿色环保、易于大规模工业化处理等特点。
4、本发明方法适用范围广：不仅适用于镁、铝、锌、铜、镍、钛、锆及其合金和钢铁等各种金属材料，还可用于陶瓷、织物、纸张、玻璃等多种材料的表面处理。
具体实施方式
将金属或合金加工成规格为5cm×5cm×0.3cm的工件，用砂纸打磨至表面光滑平整，用水冲洗后在无水乙醇中超声清洗2~3分钟，得到表面清洁的工件。
实施例1：
AZ31镁合金自清洁、耐磨损表面的构筑，具体步骤如下：
①配置自清洁、耐磨损表面处理液：将5g十三氟辛基三甲氧基硅烷及10g聚四氟乙烯加入1L无水乙醇中，超声搅拌0.5小时，然后添加6g氧化铝和4g氧化铈粉末，继续超声搅拌1小时，即得处理液；
②喷涂和固化：将①中的处理液均匀喷涂到清洁的AZ31镁合金工件表面，将工件于60℃下烘干2小时，即得AZ31镁合金自清洁、耐磨损表面；
所述氧化铝粒径约为30纳米（其他实施例同）；
所述氧化铈粒径约为2微米（其他实施例同）；
所述喷涂处理中处理液体积与金属工件处理部分面积的比例为1L:50m2（其他实施例同）。
金属表面自清洁和耐磨损能力的检验步骤如下（其他实施例同）：
a. 自清洁能力检验 水滴在金属工件表面的静态接触角和滚动角是衡量金属表面自清洁能力的重要指标，静态接触角大于150°、滚动角小于10°的超疏水表面被认为具有自清洁能力，且静态接触角越大、滚动角越小的表面自清洁效果越好。本发明采用德国Dataphysics OCA20视频光学接触角测量仪测量水滴在金属工件表面的静态接触角和滚动角、用于评价表面的自清洁能力。
b. 耐磨损能力检验 摩擦磨损试验具体作法为：将100#金相砂纸平铺在桌面上，金属工件一面接触砂纸（该面为工作面），另一面压上100 g的砝码，横、纵向拖动砝码各50次，得到摩擦磨损样品。采用德国Dataphysics OCA20视频光学接触角测量仪测量水滴在摩擦磨损样品工作面的静态接触角和滚动角，相比于新构筑表面的静态接触角和滚动角变化小于5°且表面仍具有自清洁功能则认为表面具有耐磨损能力。
检验结果：水滴在所构筑的AZ31镁合金表面的静态接触角为154°、滚动角为4°，表面具备自清洁能力；经摩擦磨损试验后，静态接触角为153°、滚动角为4°，表面具有耐磨损能力。
实施例2：
7075铝合金自清洁、耐磨损表面的构筑，具体步骤如下：
①配置自清洁、耐磨损表面处理液：将8g十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷及12g聚偏二氟乙烯加入1L无水乙醇中，超声搅拌1小时，然后添加8g氧化铝和6g氧化铈粉末，继续超声搅拌2小时，即得处理液；
②喷涂和固化：将①中的处理液均匀喷涂到清洁的7075铝合金工件表面，将工件于80℃下烘干1小时，即得7075铝合金自清洁、耐磨损表面；
检验结果：水滴在所构筑的7075铝合金表面的静态接触角为162°、滚动角为2°，表面具备自清洁能力；经摩擦磨损试验后，静态接触角为160°、滚动角为2°，表面具有耐磨损能力。
实施例3：
金属锌自清洁、耐磨损表面的构筑，具体步骤如下：
①配置自清洁、耐磨损表面处理液：将8g十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷及8g聚四氟乙烯加入1L无水乙醇中，超声搅拌0.5小时，然后添加10g氧化铝和2g氧化铈粉末，继续超声搅拌1小时，即得处理液；
②喷涂和固化：将①中的处理液均匀喷涂到清洁的金属锌工件表面，将工件于50℃下烘干2小时，即得金属锌自清洁、耐磨损表面；
检验结果：水滴在所构筑的金属锌表面的静态接触角为160°、滚动角为3°，表面具备自清洁能力；经摩擦磨损试验后，静态接触角为159°、滚动角为3°，表面具有耐磨损能力。
实施例4：
金属铜自清洁、耐磨损表面的构筑，具体步骤如下：
①配置自清洁、耐磨损表面处理液：将6g十三氟辛基三甲氧基硅烷及11g聚偏二氟乙烯加入1L无水乙醇中，超声搅拌1小时，然后添加14g氧化铝和5g氧化铈粉末，继续超声搅拌2小时，即得处理液；
②喷涂和固化：将①中的处理液均匀喷涂到清洁的金属铜工件表面，将工件于70℃下烘干1小时，即得金属铜自清洁、耐磨损表面；
检验结果：水滴在所构筑的金属铜表面的静态接触角为164°、滚动角为2°，表面具备自清洁能力；经摩擦磨损试验后，静态接触角为164°、滚动角为2°，表面具有耐磨损能力。
实施例5：
金属镍自清洁、耐磨损表面的构筑，具体步骤如下：
①配置自清洁、耐磨损表面处理液：将10g十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷及9g聚四氟乙烯加入1L无水乙醇中，超声搅拌1小时，然后添加11g氧化铝和8g氧化铈粉末，继续超声搅拌2小时，即得处理液；
②喷涂和固化：将①中的处理液均匀喷涂到清洁的金属镍工件表面，将工件于60℃下烘干2小时，即得金属镍自清洁、耐磨损表面；
检验结果：水滴在所构筑的金属镍表面的静态接触角为161°、滚动角为2°，表面具备自清洁能力；经摩擦磨损试验后，静态接触角为160°、滚动角为2°，表面具有耐磨损能力。
实施例6：
金属钛自清洁、耐磨损表面的构筑，具体步骤如下：
①配置自清洁、耐磨损表面处理液：将9g十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷及10g聚偏二氟乙烯加入1L无水乙醇中，超声搅拌0.5小时，然后添加7g氧化铝和10g氧化铈粉末，继续超声搅拌1小时，即得处理液；
②喷涂和固化：将①中的处理液均匀喷涂到清洁的金属钛工件表面，将工件于80℃下烘干1小时，即得金属钛自清洁、耐磨损表面；
检验结果：水滴在所构筑的金属钛表面的静态接触角为156°、滚动角为3°，表面具备自清洁能力；经摩擦磨损试验后，静态接触角为154°、滚动角为3°，表面具有耐磨损能力。
实施例7：
金属锆自清洁、耐磨损表面的构筑，具体步骤如下：
①配置自清洁、耐磨损表面处理液：将7g十三氟辛基三甲氧基硅烷及8g聚四氟乙烯加入1L无水乙醇中，超声搅拌1小时，然后添加13g氧化铝和7g氧化铈粉末，继续超声搅拌2小时，即得处理液；
②喷涂和固化：将①中的处理液均匀喷涂到清洁的金属锆工件表面，将工件于50℃下烘干2小时，即得金属锆自清洁、耐磨损表面；
检验结果：水滴在所构筑的金属锆表面的静态接触角为158°、滚动角为3°，表面具备自清洁能力；经摩擦磨损试验后，静态接触角为157°、滚动角为3°，表面具有耐磨损能力。
实施例8：
A3钢自清洁、耐磨损表面的构筑，具体步骤如下：
①配置自清洁、耐磨损表面处理液：将8g十三氟辛基三甲氧基硅烷及10g聚偏二氟乙烯加入1L无水乙醇中，超声搅拌0.5小时，然后添加12g氧化铝和3g氧化铈粉末，继续超声搅拌1小时，即得处理液；
②喷涂和固化：将①中的处理液均匀喷涂到清洁的A3钢工件表面，将工件于70℃下烘干1小时，即得A3钢自清洁、耐磨损表面；
检验结果：水滴在所构筑的A3钢表面的静态接触角为155°、滚动角为3°，表面具备自清洁能力；经摩擦磨损试验后，静态接触角为154°、滚动角为3°，表面具有耐磨损能力。
以上实施例以AZ31镁合金、7075铝合金、纯锌、纯铜、纯镍、纯钛、纯锆、A3钢为处理对象，需要说明的是本发明同样适用于镁、铝、锌、铜、镍、钛、锆的金属/合金以及其他钢铁材料。
另外，申请人研究发现，利用本发明方法还可以构筑陶瓷、织物、纸张、玻璃等多种材料的自清洁、耐磨损表面。因此，其他依据本发明技术方案进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种金属自清洁、耐磨损表面处理液，其特征在于，由无水乙醇、低表面能物质、胶粘剂、氧化铝粉末和氧化铈粉末按如下比例配制而成；
所述无水乙醇为溶剂，以1L计；
所述低表面能物质含量为5~10 g/L；
所述胶粘剂含量为8~12 g/L；
所述氧化铝粒径约为30纳米，含量为6~14 g/L；
所述氧化铈粒径约为2微米，含量为2~10 g/L。
2.根据权利要求1所述金属自清洁、耐磨损表面处理液，其特征在于，所述低表面能物质为十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷或十三氟辛基三甲氧基硅烷；
所述胶粘剂为聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯。
3.一种金属自清洁、耐磨损表面处理液的制备方法，其特征在于，按权利要求1或2所述配方，其制备步骤包括：
将所述低表面能物质及胶粘剂加入无水乙醇中，超声搅拌0.5~1小时，然后添加氧化铝和氧化铈粉末，继续超声搅拌1~2小时，即得处理液。
4.一种金属自清洁、耐磨损表面的构筑方法，其特征在于，包括以下步骤：
①将权利要求3所得处理液均匀喷涂到清洁的金属工件表面；
②将金属工件于50~80℃下烘干1~2小时，即得金属自清洁、耐磨损表面；
所述喷涂处理中处理液体积与金属工件处理部分面积的比例为1L：50m2。
5.根据权利要求4所述的金属自清洁、耐磨损表面的构筑方法，其特征在于，所述金属为镁、铝、锌、铜、镍、钛、锆及其合金或钢铁材料。
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